基于模糊自適應(yīng)控制的自調(diào)節(jié)單車仿真研究

焦鳳嬌，劉富廣，李廣偉

（1.中競(jìng)同創(chuàng)能源環(huán)境技術(shù)有限公司，北京100081；2.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州510000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路事業(yè)發(fā)展迅猛，高速鐵路的建設(shè)與發(fā)展在我國(guó)取得了舉世矚目的成就，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入高鐵時(shí)代，傳統(tǒng)的對(duì)于鐵路機(jī)車的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)新形勢(shì)的需要，特別是隨著70噸級(jí)貨車車輛的投入運(yùn)行、專用貨車車輛的不斷增加，以往的單車試風(fēng)系統(tǒng)也遇到了許多方面的問題［1］。為此，需要設(shè)計(jì)一種能滿足各種車型的自調(diào)節(jié)單車試驗(yàn)系統(tǒng)。也就是說，對(duì)鐵路機(jī)車安全性能的檢測(cè)技術(shù)也必須全面提高。

中華人民共和國(guó)鐵道部2008年發(fā)布的《鐵路貨車制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》中規(guī)定，單車試驗(yàn)器必須進(jìn)行機(jī)能檢查。

2 模糊控制理論

2.1 模糊控制理論簡(jiǎn)介

模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)集合體，它通常由被控對(duì)象、測(cè)量裝置、模糊控制器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換接口以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成，如圖1所示。

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表達(dá)和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。

2.2 模糊控制器的工作原理

模糊控制器的工作原理如圖2所示。

3 自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)

圖1 模糊控制器的基本組成

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的辦法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)做為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PID控制器。PID控制與專家系統(tǒng)相結(jié)合，利用模糊控制器將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則表示，進(jìn)行了模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是自適應(yīng)模糊PID控制。

圖2 模糊控制器的工作原理

根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，可以將PID控制器分為以下五種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和討論：

（2）當(dāng) e（k）Δe（k）＞0 時(shí)，說明誤差在朝誤差絕對(duì)值增大的方向變化，此時(shí)若說明誤差也較大，應(yīng)考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以扭轉(zhuǎn)誤差絕對(duì)值朝減小的方向變化；若時(shí)，說明誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化，但誤差絕對(duì)值本身并不是很大，可考慮控制器施加一般的控制作用，扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)即可。

（3）當(dāng) e（k）Δe（k）＜0、Δe（k）e（k-1）＞0 或者 e（k）＝0時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值朝減小方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)可考慮采取保持控制器輸出不變。

（4）當(dāng) e（k）Δe（k）＜0、Δe（k）e（k-1）＞0 時(shí)，說明誤差處于極值狀態(tài)。當(dāng)，應(yīng)使控制器施加較強(qiáng)的控制作用；若，應(yīng)考慮施加較弱的控制作用。

自適應(yīng)模糊控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。常規(guī)自適應(yīng)模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 常規(guī)自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID 3個(gè)參數(shù)的Kp、Ki、Kd與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足控制參數(shù)不同的要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

PID參數(shù)自整定必須考慮到在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。自適應(yīng)模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊控制表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

輸入、輸出變量的隸屬度分布形式如表1所示，它們的論域分別為：

Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)整定的模糊控制表分別如表2-4所示。

表1 輸入、輸出變量的隸屬度

表2 Kp的模糊控制表

表3 Ki的模糊規(guī)則表

表4 Kd的模糊規(guī)則表

Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則表建立好后，可根據(jù)下述方法進(jìn)行 Kp、Ki、Kd的自適應(yīng)校正。

圖4 模糊自適應(yīng)Simulink模型

將系統(tǒng)誤差 e 和 ec 的論域定為：e，ec＝｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝。設(shè) e、ec 和 Kp、Ki、Kd均服從正態(tài)分布，從而得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表各個(gè)參數(shù)的模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的處理結(jié)果、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。

圖5 模糊自適應(yīng)響應(yīng)曲線

4 建模與仿真

單車自適應(yīng)模糊控制Simulink模型如圖4所示，其仿真結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)論

自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)，輸出曲線和理想輸出曲線基本上已經(jīng)完全重合，即滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。PID控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)有干擾信號(hào)時(shí)，魯棒性遠(yuǎn)不如模糊控制器。自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的魯棒性很好，控制系統(tǒng)基本無(wú)靜差和超調(diào)，大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。

［1］郭建國(guó).自調(diào)節(jié)單車試驗(yàn)系統(tǒng)的研制［D］.太原：太原科技大學(xué)，2008，34-40.

［2］王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1984，52-60.

［3］丁永生等.模糊系統(tǒng)逼近理論現(xiàn)狀與展望［J］.信息與控制，2000，9（7），29-157.